微波等离子体光谱技术的发展（一）

辛仁轩

（清华大学 核能与新能源技术研究院，北京100084）

1 引言

微波等离子体是一种重要的原子发射光谱光源。光谱光源是发射光谱仪器的核心，它决定了光谱仪的分析性能及仪器结构。每一种新型光源的出现，就导致一类新型仪器的快速发展。电感耦合等离子体（ICP）发射光源的出现，并发展成为目前无机分析广泛应用分析技术，大大促进了无机元素分析技术向灵敏，准确，简便，快速方向迈进。然而，由于ICP光谱分析仪器要消耗大量的稀有气体——氩气，是该技术明显的缺点，发展节省氩气的新型发射光谱光源就成为光谱分析技术领域的重要目标［1］。微 波 等 离 子 体 （Microwave Plasma，简 称MWP）是比电感耦合等离子体更早被研究的发射光谱光源，是等离子体光源家族的重要成员，它可在很低功率下运行及节省工作气体的优点，曾经被视作有推广应用前景的分析光源。后来由于ICP光谱仪器的商品化并受到青睐，微波等离子体光谱技术发展进展缓慢，在人们意识到高耗气量的ICP光源的弱点时，又将希望转向等离子体家族成员微波等离子体。微波等离子体是以2450MHz微波频率生成的等离子体。按能源传递方式和等离子体矩管的结构分为两大类，一类叫电容耦合微波等离子体（Capacitively Coupled Microwave Plasma，简 称CMP）又称类火焰等离子体（Flame－like plasma），炬管中心有金属电极，在金属棒（管）尖端产生等离子体。微波等离子体炬（Microwave Plasma Torch，简称MPT），也是属于有金属电极的电容耦合微波等离子体；另一种石英炬管中无金属电极，等离子体在管内形成，叫微波感生等离子体（Microwave Induced Plasma，简称MIP，又称微波诱导等离子体），在一定条件下它可以形成类似于ICP光源的环形等离子体。微波等离子体的工作气体可用惰性气体或分子气体，如MIP又按工作气体种类氩，氮，氦，空气分为 Ar－MIP，N2－MIP，He－MIP，Air－MIP。下面分别介绍各种微波等离子体光源性能及其发展。

2 微波感生等离子体

自1952年Broida和Moyer首次把微波等离子体（MWP）用于光谱分析以来，MWP就引起了人们的关注。MWP可以用Ar，He或N2等工作气体在较宽的气体压力范围及功率范围内工作，并具有较强的激发能力，可检测元素周期表中包括卤素等非金属元素在内的几乎所有元素［2］，可以在低气压及大气压下工作，在低压下形成等离子体，功率在150W以下，但进样困难，后来发展常压微波光源。MIP按供电功率又分为低功率MIP（＜250W），中功率 MIP（300～600W），高功率（＞600W）。

2.1 低功率微波感生等离子体原子发射光谱技术（MIP－AES）的应用

低功率MIP是较早开始用于分析的微波光源，它功率低，工作气体可用分子气体及惰性气体，工作气体用量少，装置简单，购置及运行成本低，研究和应用报告很多且技术多样化［3－4］。下面具体列举若干典型技术，考察低功率MIP的现状与发展。

Heltai等［5］研究了低功率 Ar－MIP及 He－MIP用作发射光谱光源的分析性能。炬管内径4mm或5mm，TM010谐振腔，Ar－MIP用功率85～110W，OH基测定的转动温度（近似于等离子体气体温度）2000～2700K，He－MIP 用120～180W，温度2200～2600K，用气动雾化器通过石墨炉进样，回避了气动雾化器液体进样问题。低功率MIP已试探性地用于各类实际试样的测定。

2.1.1 非金属元素测定

Jaroslav［6］用TM010腔，石墨炉进样，轴向观测，测定Cl，I，S，P的原子线和离子线，方法用于牛奶中I或多组分样品中S的测定。Mckenna［7］用低压Beenakker腔MIP原子发射光谱分析氦基气体混合物中O，N，Ar组分。Okruss等［8］用仪器分辨率较高的近红外中阶梯光栅微波光谱仪检测有机化合物中H，C，F，Cl，I，S，光谱光区在640～990nm。典型检出限对于 Ar－MIP为200～2200pg／s，对于He－MIP为70～660pg／s。Quintero等［9］用低功率MIP测定I，为了改进检测能力，采用化学碘蒸汽发生器，把碘化物，硫酸及过氧化氢溶液在线混合，所产生的气体产物经气液分离器及浓硫酸除去水汽，再进入 MIP测定，检出限20μg／L，精密度0.75%（在200μg／L浓度水平时）。Nakahara等［10］报告了用气相进样技术及常压微波等离子体光谱仪上测定溶液中低浓度S。所用光谱线位于紫外区及真空紫外区。分析线为S 180.73，182.04及217.05nm，试验了各种试剂，盐酸（1.0mol／L）最适用于把硫化物及二氧化硫反应发生硫化氢，产物经气液分离器进入 MIP。S的检出限在180.73及217.05nm分析线时分别为0.13及1.28ng／mL。方法用于测定废水中S。上述实验表明微波等离子体光源有较强的激发能力，可以激发难激发的非金属元素。

2.1.2 将试样转化为气态进样

Matusiewicz［11］在大气压力下用 He－MIP－AES分析低浓度As，将水溶液样品形成氢化物进入石墨炉富集后再进入等离子体，溶液的绝对检出限120pg，浓度检出限12pg／mL（10mL试液）相对标准偏差6%（浓度水平ng／mL）。微波光源与氢化物发生法联用可改善检出限，降低基体效应。杨金夫等［12］用连续氢化物发生法进样，MIP－AES同时测定As，Se，Sb，比较了 He－MIP及Ar－MIP，对于Ar－MIP可以用石英制作炬管，He－MIP用氧化铝管可改进性能，实验表明，He－MIP对于氢化反应产生的氢气承受能力较Ar－MIP差。氢化反应产生的水蒸气进入等离子体将导致灵敏度及测量精密度明显降低，可用浓硫酸预先除去水分。Camuna等［13］用卤素气态发生器，将卤化物氧化成分子态单质，通过气液分离器除去水分，以I2，Br2，Cl2气态形式进入光源，改善传输效率，提高了灵敏度，降低液体进样对光源稳定性的影响，研究了卤素氧化及MIP检测的优化条件。

2.1.3 微体积进样——减少进样量

考虑到低功率MIP对水汽的承受能力差，Matusiewicz［14］采用微量体积进样技术，用气动雾化器雾化微量液体样品，降低MIP的承受液体样品量。20μL样品以100μL／min的低泵速输进Meinhard同心雾化器，在250W的He－MIP光源中激发，测定血清及头发样品中主要成分Na，K，Ca，Mg，微量成分Cu，Fe，Zn及痕量Sr元素，用微量标准加入法来抑制基体效应，检出限分别为10，30，50，100，10，5，20和40ng／mL，精密度RSD为5%～14%。

2.1.4 直接分析固体样品

Yong－Nam Pak［15］研发了一种叫火花－氩－MIP原子发射光谱系统，直接分析固体金属，扩大微波光源的应用范围，同时避免了水汽进入光源，影响光源的稳定性。氩气作为工作气体，与顺序光谱仪联用，测定合金钢及合金，多数元素检出限在10μg／g附近或者更低，与火花－Ar－ICP相近，精密度在3%～11%。

Uebbing等［16］利用激光烧蚀作为 MIP－AES的进样装置，脉冲Nd∶YAG激光器，在低压氩气气氛下工作。给出了最佳化的分析条件。Leis等［17］用激光烧蚀微波等离子体原子发射光谱法测定塑料中金属和非金属元素，对于 Al，Ca，Cu，Sb，Ti的检出限是0.0001%～0.08%，对于非金属为0.05%～0.7%。Jankowski等［18］设计一种叫连续粉末进样装置（Continuous powder introduction，简称 CPI）与MIP－AES联用，用于分析重金属，炬管垂直放置。水样用活性炭富集，pH值8～8.5富集Cd，Cu，Fe，Mn，Zn，然后将悬浮液中活性炭过滤，烘干用CPI导入MIP。取水样1000mL富集因子1000倍，检出限是17～250ng／L。方法用于测定自来水中微量重金属。

2.1.5 与GC或石墨炉联用

Haraguchi等［19］用气相色谱－常压微波等离子体（GC－MIP－AES）测定甲基砷和二甲基砷。试样通过甲基化反应转变成易挥发形态进入光源测定As 228.8nm分析线，As的检出限是20ng／mL，绝对检出限80pg。方法用于测定海草中二甲基砷。Beenake［20］实验评价了用大气压力 He－MIP作为气相色谱检测器的性能，测定了一组非金属元素C，H，S，Cl，I，Br，并给出检出限，灵敏度，选择性及线性动态范围，并同降压MIP进行比较。

杨金夫［21］测定茶叶样和头发样时，用石墨炉作为MIP－AES的进样装置，光源是氩－MIP，用载气把试样蒸汽送入光源，MIP是环形等离子体，有宽的中心通道。折中分析条件下元素的检出限对Ag，As，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，Mn，Ni，Pb，Tl分别是4，120，8，305，47，24，55，11，220，56，28pg。 试 样 中Na的存在导致多数情况下谱线强度增加。加入微克量的Pd作为基体改进剂及等离子体的缓冲剂可以限制或明显降低钠的影响。

2.1.6 去溶剂技术

Olujide等［22］报道将膜去溶技术用于低功率He－MIP进水溶液试液。当He－MIP功率为120W，使用CETAC公司带加热去溶的超声雾化器进水溶液样品，载气1.2L／min时等离子体焰不稳定，变成暗红色并熄灭。用膜去溶增强等离子体焰稳定性，明显降低了氢原子的红光发射，Cu，B，P，Cd，Pb的灵敏度改进因子从1.5～20倍。气溶胶去溶分两步：超声雾化—加热去溶—膜去溶—进入等离子体光源。

从上面的介绍可以看出低功率MIP有如下特点：

（1）低功率MIP光源装置简单，购置成本低；

（2）工作气体用量很少，运行成本低：

（3）工作气体多样化，根据测定元素的性质，可用N2，Ar，He及混合气体；

（4）由于装置简单，紧凑，有发展成为便携式多元素分析仪器的良好前景；

（5）可同时测定金属元素及非金属元素，用He－MIP激发能力强，有利于激发非金属元素；

（6）由于高频感应电流的趋肤效应，在一定条件下，MIP可形成类似ICP光源的中心进样通道。

低功率－MIP明显不足是等离子体火焰对湿气溶胶的承受能力差，有较严重的基体效应，即对水及共存物承受量很低，湿气溶胶进入易熄灭等离子体。所以低功率MIP多数与其它进样装置联合使用，难于用气动雾化器直接进液体试样，已有的商品仪器不是与气相色谱联用，就是需要配置去溶剂系统除水份。

目前所用的解决MIP对样品承受能力差的技术有下列几种：

（1）降低进样量，用微量泵进样，如20μL样品，以100μL／min的低泵速输进 Meinhard同心雾化器；

（2）用石墨炉进样，进样量也是微升级，且为脉冲进样；

（3）与毛细管气相色谱联用；

（4）与激光烧蚀联用，用载气把激光烧蚀产生的微量干气溶胶送进MIP；

（5）配合去溶剂进样系统，把湿气溶胶加热到120℃以上，然后冷却除去水份；

（6）用化学蒸汽发生器把样品转化为气态送入等离子体，如氢化物形成法，卤化物发生法等多种方法；

（7）用火花烧蚀直接分析钢铁及有色合金。

由此可以看出，为了将低功率MIP推广应用，必须首先提高光源对样品的承受能力。要想与其它无机多元素分析技术竞争，还应改善灵敏度及检出限。

2.2 低功率－MIP－原子发射光谱（MIP－AES）的分析性能

目前已出现多种低功率－MIP原子发射光谱装置，其微波源、微波腔、炬管结构及使用条件各不相同，分析性能差别较大，温度及电子密度也很难进行准确比较，此处介绍一些典型且内容较完整的数据。

2.2.1 低功率Ar－MIP的分析性能

Jankowski［23］系统研究了低功率 Ar－MIP的分析性能，所用仪器及分析条件是：TE101谐振腔，微波功率150W，石英矩管内径2.5mm，垂直放置轴向观测，等离子体气流速200mL／min，自制不去溶超声雾化器，湿气溶胶直接进入等离子体，进样35μL／min。低功率Ar－MIP与ICP光源不同，其原子线与离子线检出限相近，不存在离子线强度高于原子线的现象，非金属元素检出限较差，原子化能力尚不足。Ja nkowski认为，Ar－MIP有两个特点，第一，多数元素光谱简单，不像ICP光谱那样复杂，光谱干扰不严重；第二，谱线分布范围宽，从紫外到可见区比较均匀，不像ICP光源灵敏线集中于紫外区。

2.2.2 低功率－N2－MIP－AES分析性能

氮气价格远低于氦气及氩气，用其作为工作气体是很有吸引力的，但分子态氮气的热导率较氩气高，电离过程比惰性气体复杂，形成等离子体较氩气困难。Deutsch等［24］报道的 N2－MIP光源－原子发射光谱装置直接雾化微量试液，微波光源为250W，总耗气量1.78L／min氮气，略高于一般低功率微波光源，它形成稳定的等离子体，并且对水试样有一定的承受能力，所形成的焰炬伸出微波腔约10cm，可进行径向观测。N2－MIP作为原子光谱光源的分析性能与其它光源有些不同。测定了15种元素的检出限，每种元素选择三条不同性质的分析线，检出限与其它竞争者基本相近，与Ar－MIP相比明显特点是，原子线比离子线强度高。第二个特点是低激发能的谱线检出限优于高激发能谱线，其激发特性类似于化学火焰光源，可能该光源处于接近局部热力学平衡（LTE）状态。激发态粒子布局遵从玻尔兹曼分布。工作曲线线性范围4～6个数量级，所有元素从检出限到5000mg／L是线性关系。检出限以上100倍浓度的相对标准偏差为0.5%～1.8%。干扰实验显示，碱金属（Na）明显增强分析线强度，磷酸盐对Ca有明显的抑制效应，该作者采用类似原子吸收光谱法的技术，用加Cs作为消电离剂，加释放剂解决磷酸根的抑制效应。N2－MIP检出限不如ICP光源。

2.3 中功率微波感生等离子体光源

2.3.1 微波功率的影响

低功率微波感生等离子体虽然有许多吸引人之处，但其对湿气溶胶的低承受能力严重限制了该技术推广和实际应用，这也就是为什么尽管微波用作光源研究比ICP光源早很多，但其商品化过程极其缓慢，几种微波发射光谱仪商品化不久就从市场上消失。为了提高微波光源对水液及样品的承受能力，增加微波功率是有效的途径。增加微波功率的同时，也带来问题，功率增加等离子体高温区体积增大，降低石英炬管的寿命甚至烧熔，微波腔温度升高，需要冷却，故增加功率到一定程度要有配套措施，如腔体的冷却及改进石英炬管结构或选用耐高温材料。

2.3.2 中功率 MIP－AES的分析应用

Wong等［25］用改进的Beenakker式 TM010微波谐振腔，炬管内径5mm，外径8mm，功率500W，用氩气或氦气作为支持气，水溶液直接进样，Ar－MIP测定Cu的检出限为4ng／L，线性范围3个数量级。Pivonkap［26］用370W微波等离子体光源傅立叶变换光谱仪，观察并测定C，H，N，O，F，Cl，Br，I，P，S等元素谱线波长及相对强度，波长范围在634.9～1176.4nm，属于近红外光区。Gregory等［27］研究功率为500W的He－MIP光谱法与超临界 色 谱 （SFC）联 用 测 定 非 金 属 （Cl）。Matusiewicz［28］用浆液进样技术微波等离子体光谱（SST－MIP－OES）同时测定生物标准物质中主要成分和微量元素，在300W条件下，浆液样品从雾化室直接进入微波腔－炬管组件，测定主要元素Na，K，Ca，Mg，P和痕量元素Cd，Cu，Mn，Zn，Sr。用 V型槽Babington雾化器，浆液浓度1%（m／V），粒度＜20μm，含 硝 酸 5%，表 面 活 性 剂 X－100为0.001%，方法的精密度RSD为7%～11%，方法用于测定标准参考物NRCC TORT－1（龙虾肝胰腺），及IAEA－153（牛奶粉）中 Na，K，Ca，Mg，P，Cd，Cu，Mn，Zn，Sr元素，浓度范围90～22000μg／g。

2.3.3 中功率MIP的分析性能

Urh等［29］报告了300～500W 微波功率的MIP光源发射光谱的分析性能，微波谐振腔TM010采用直接雾化液体进样，组合式空气冷却炬管，Meinhard玻璃同心雾化器，雾化压力0.2MPa，0.75m中阶梯光栅光谱仪及0.35mC－T光谱仪，最佳的功率范围是300～400W，等离子体气流量2L／min，比对了 N2－MIP和 Air（空气）－MIP测定金属元素的性能。结果显示如下规律：

（1）多数元素在 N2－MIP与 Ar－MIP中检出限相近，但金属－氧化物键较强的元素，如B，W，稀土元素在N2－MIP检出限较好，难激发元素如Zn在N2－MIP也较好；Na，Cu在两种光源中均有较好的检出限；

（2）研究了 Na，K，Ca，P对各种元素谱线强度的影响，在N2－MIP中碱金属的基体效应比较显著，均使 Na，Sr，Ca，Cr，Pb发射强度增加，而对 W，Fe影响较复杂，对B，Cu，Zn则抑制其发射强度。在空气－MIP中Na，K，Ca，P影响则比较轻微；

（3）N2－MIP和空气－MIP中两种微波等离子体光源温度没有明显差别，分别是5900K及5800K；

2.3.4 等离子体温度测量

Brown等［30］用分子谱带 OH 306.4nm 测定中功率的（500W）Ar－MIP气体温度为3580K，用Ar线斜率法测得激发温度是14200K。Brown［31］还测定了 He－MIP及 Ar－MIP的电子密度，使用外径6mm，内径3mm及外径8mm，内径5mm的两种炬管，微波功率100～500W，测量了电子密度的径向分布及电子密度与功率的关系，He－MIP的电子密度范围6×1014～10×1014cm－3。Ar－MIP为2×1014～2.5×1014cm－3。

从上面介绍可以看出，中功率微波光源对湿气溶胶的承受能力有一定增强，可以直接用气动雾化器进少量溶液样品。但等离子体温度及电子密度尚无显著改善，分析性能与ICP光源还有明显差距。

2.4 高功率微波感生等离子体［32－33］

2.4.1 使用高的微波功率必要性

从1952年微波等离子体用于光谱分析以来的数十年里，人们一直致力于低功率 MIP－AES的研究，因为它有明显的优势：工作气体耗量低，装置简单价格低廉，用氦气工作可分析非金属元素等。但低功率MIP作为发射光谱光源被允许承受湿气溶胶量过低所困扰，经过近40年的努力，低功率MIPAES也仅能承受很微量的湿气溶胶直接进样，约30μg／min，并且碱金属的基体效应比较显著，少数能进行商品化的MIP也是要与色谱仪联用作为气相色谱的检测器，有限的几个型号的商品仪器，由于缺乏竞争能力，拓展市场困难。于是，在20世纪90年代末，开始用提高功率来改进MIP性能。试验各类进样技术：加热去溶剂、石墨炉进样、微量进样技术、火花烧蚀进样、气相色谱联用等，这些进样技术可以在一定程度改进分析性能，但是仪器结构变得复杂，进样量的降低也影响检测的灵敏性。综合考虑，增加功率来提高等离子体对湿气溶胶的承受能力更简单有效。提高微波功率有几个明显的有利因素：

（1）增加微波功率能提高等离子体温度及电子密度。实验表明，对氮微波等离子体而言，功率600W提升到1000W时，激发温度由5000K增加到5500K。电子密度也有增加。它们的增加将提升等离子体的去溶剂和原子化的能力。

（2）增加微波功率，将增大微波焰炬的长度及直径，低功率＜100W，He－MIP焰炬长度1～2cm，直径0.5～1.5mm；功率增加到500W 时，焰炬长3.5～4.5cm；功率增加到千瓦级，焰炬长度5～6cm，直径7～8mm。焰炬直径增加，可形成较宽的等离子体中心进样通道，降低进样阻力，更重要的是焰炬体积增加，显著增加了样品气溶胶在等离子体激发区的停留时间，增加发光效率。

（3）增加微波功率能增加等离子体对湿气溶胶的承受能力，改善焰炬的稳定性。

（4）增加微波功率能降低基体效应的影响。

（5）增加微波功率能增强谱线强度，改善部分元素的检出限。

增加微波功率也会带来不利因素。首先，增加功率必须同时增加等离子体气流量，不然等离子体焰不稳定甚至烧毁石英炬管，例如在He－MIP中，微波功率400W时维持稳定的焰炬须8L／min气体，增加到1000W时，就需要13～14L／min气体。其次，增加功率会影响炬管寿命，因为MIP焰炬在炬管内部形成，炬管处于高温区，炬管的冷却在设计炬管时必须考虑。此外，功率增加后要考虑微波腔及电源的冷却，散热及防护等问题。

2.4.2 高功率MIP的分析条件及应用

高功率微波感生等离子体光谱仪器研发的主要目的是要推出一种灵敏、稳定、低运行成本的普及型多元素分析仪器，与ICP光谱仪类似，主要用于金属与部分非金属多元素同时检测。它挑战的对象是ICP发射光谱技术及原子吸收光谱技术。已研究过的主要是N2－MIP及空气－MIP光源，配用平面光栅分光系统或中阶梯检测交叉色散分光系统，CCD或光电倍增管作检测器。

2.4.3 高功率 N2－MIP光谱仪

高功率微波电源使用的功率范围1～3kW，微波腔有多种：Okamoto腔，改进型的Beenakker TM010谐振腔。图1是Okamoto腔，它是非谐振腔，最大功率2.0kW，一般多用1～1.3kW，因为高功率将影响炬管寿命，可使用氮气、氦气、氩气及空气做工作气体，进行径向及轴向观测。用玻璃同心雾化器及Scott雾化室，等离子体气（氮）13L／min，雾化气0.6L／min，试液进样量0.5～1.3mL／min。图1是腔体的结构图，石英炬管外径13mm，内径10mm。分光系统与溶液进样系统与ICP光谱仪类似，用扫描单色仪及气动雾化器。

主要性能：

（1）在Okamoto腔微波2450MHz的条件下形成的是类似ICP的环形等离子体，所以又称微波ICP，可用气动雾化器将溶液样品雾化的湿气溶胶直接送入光源。

图1 高功率Okamoto微波腔原理图Figure 1. Schematic diagram of high－powered Okamoto cavity for MIP.

（2）微波功率密度及激发温度均增加，在1kW功率时激发温度是Texc5500K，电子密度1013cm－3数量级，重粒子测定出的气体温度（Tg）5000K，Texc与Tg很接近表明高功率的N2－MIP接近局部热力学平衡状态（LTC）。

（3）谱线强度随等离子体气流量增加而增加至峰值后变化缓慢。谱线强度随载气流量而增加，至峰值后开始降低，规律类似于ICP光源。

（4）高功率N2－MIP加入氧气使Texc逐渐缓慢降低，由纯氮气5650K，降至5100K，但对分析有机溶剂很有利。加氧后进样有机溶剂使焰炬很稳定，进样管不出现积碳，明显提高等离子体的承受有机气溶胶的能力。

（5）高功率N2－MIP原子发射光谱法配合氢化物发生法获得很好的灵敏度。测定纯Cu中微量Sb检出限为4.5ng／mL。

2.4.4 高功率 He－MIP－AES

高功率He－MIP－AES主要用于测定非金属元素，He有很高的电离电位，He－MIP有比Ar，N2等离子体更高的激发能力，适于测定难激发的非金属元素F，Cl，Br，P，S等。由于 He气导热率很高，形成等离子体比较难，维持稳定的等离子体也需要较高的等离子体气流量，防止石英管烧熔，维持稳定的He－MIP的极限条件：功率600W，等离子体气13.5L／min，载气0.6～0.7L／min，石英炬管外径10mm，内径8mm，电子密度2.3×1014cm－3，激发温 度 5000K。检 出 限：Br（Ⅱ）478.5nm，0.2μg／L，Cl（Ⅱ）479.5nm 0.1μg／L。与 N2及Ar微波等离子体光源相比，He－MIP－AES的光谱背景比较简单，无分子光谱带干扰。由于氦气价格较贵，高功率MIP－AES难于广泛推广应用。

2.4.5 高功率空气微波等离子体光谱仪（Air－MIPAES）

用空气作工作气体的微波等离子体与氮气微波等离子体有些类似，可用同样微波电源及微波腔，用相同气体流量形成等离子体，但所形成的等离子体有不同性质：

（1）等离子体焰炬颜色不同，Air－MIP－AES焰炬是蓝－灰白色，而N2－MIP呈粉红色，产生差异的原因是它们的光谱背景不同，N2－MIP在330～390nm光区有强的 N2，N2＋，CN，NH 分子带，而Air－MIP－AES不同，背景光谱在200～290nm区域的NO带及306nm的OH带比较强。

（2）Air－MIP－的激发温度在功率从0.8～1.3kW变化时，为4150～4750K，比N2－MIP低300～400K。

（3）Air－MIP的电子密度，在功率从0.8～1.3kW变化时，为1～6×1014cm－3，比 N2－MIP要高一个数量级。

（4）Air－MIP中多数低激发能谱线的检出限与N2－MIP相近，但高激发能的谱线显著比N2－MIP差。

（5）Air－MIP光源对有机溶剂有很好的承受能力，这是其突出优点。在ICP光源时分析有机溶剂时遇到的困难是有机物分解产生的CN，C，C2等分子谱带产生很强的光谱背景，干扰某些元素的测定并使其检出限变差，产生的游离碳粒阻塞炬管中心管口。在N2－MIP光源中也存在同样问题。但在Air－MIP光源中这些问题均不存在，空气中的氧可将碳氧化，从而消除其影响。在N2－MIP中强烈的分子谱带掩盖了Mo的分析线。

2.4.6 MP－4100－AES高功率微波感生等离子体原子发射光谱仪

安捷伦科技公司2011年推出世界第一台商品高功率微波等离子体发射光谱仪（见图2），用于金属及非金属元素的成分分析，微波功率1kW，频率2450MHz电源形成环形等离子体，三气流炬管，垂直等离子体炬管——轴向观测方式，用氮气或空气作为工作气体，平面全息光栅分光系统，波长范围180～800nm，低噪音CCD固态检测器，同步背景扣除。线性范围多数元素在3～4个数量级，整机稳定性良好。用常见元素1μg／mL混合标准溶液测定20min稳定性RSD＜0.7%，4h长期稳定性RSD为0.4%～1.2%。有机溶剂中多元素分析长期稳定性为8h，相对标准偏差RSD＜2%。这些指标均与ICP光谱仪器相似，仪器检出限见表1。该仪器已用于电子材料、饮用水、地表水、废水、灌溉水、土壤、肥料、动植物、食品、粮食、蔬菜、饮料、酒类、地质、贵金属、石油化工等类样品分析。仪器的主要特点如下：

图2 MP－4100外形图Figure 2. MP－4100outline drawing.

表1 MP－4100仪器检出限Table 1 Instrumental detection limits for MP－4100－AES ／（ng·mL－1）

（1）利用轴向磁场在等离子体中产生感应电压，激发产生等离子体焰炬，与ICP光源类似，故又称为“微波ICP”。目前通用ICP光源，是用射频电源激发，也称为射频ICP（RF－ICP）。

（2）与电容耦合等离子体（CMP）不同，不需金属电极，避免了更换电极及电极成分对等离子体的污染。

（3）微波频率产生趋肤效应，形成中心进样通道，解决了进样难的问题，微波频率2450MHz是ICP电源频率40.68MHz的62倍，趋肤层厚度仅为ICP光源的八分之一，形成更宽的进样通道。

（4）采用多种措施提高信噪比：轴向观测，高狭缝提高光源的利用率等。

（5）采用加长炬管，焰炬在管内形成，不需另加。氧气屏蔽空气

（6）炬管用三层同心管构成，等离子体支撑气同时起冷却管壁的作用。

3 结语

微波感生等离子体可以采用各种气体形成稳定的等离子体，作为发射光谱分析光源，低功率的He－MIP有较强的激发能力，可激发难激发的非金属元素及金属元素，低功率微波感生等离子体发射光谱仪器对于金属元素的检出能力不如ICP光谱仪及DCP（直流等离子体）光谱仪，其应用前景是与色谱仪联用，构成同时检测有机化合物中无机元素的分析工具。在一定条件下高功率微波感生等离子体可形成与ICP光源类似的环形等离子体，可以用气动雾化器直接喷注液体样品入中心通道，比低功率MIP对水液有更强的承受能力及更低的基体效应，用氮气作工作气体高功率微波等离子体光谱仪仪器成本及运行费用均较低，有很高的性价比，是ICP光谱技术和原子吸收光谱技术有力的竞争者。

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